研究人員發現，與海洋藻類有共生關係的藍藻物種UCYN-A正表現出向固氮細胞器演化的特徵。這項突破為細胞器演化的早期階段提供了新的視角，並有可能在理解細胞演化方面取得重大進展。

氮是地球上所有生命不可或缺的營養物質。儘管大氣中氮氣（N2）含量豐富，但許多生命形式在固氮作用之前基本上無法獲得氮。這個重要過程將二氮轉化為銨，銨是無機氮的重要來源。

雖然有一些細菌能夠將二氮還原成銨，但羅德島大學、巴塞隆納海洋科學研究所、加州大學聖克魯茲分校和麻省理工學院的研究人員發現，固氮共生生物表現出與細胞器類似的行為。事實上，研究人員認為這些共生生物–UCYN-A（一種藍藻）–可能正在演化出類似細胞器的特徵。他們的研究最近發表在《細胞》雜誌。

共生關係及其影響

UCYN-A 與一種密切相關的海洋藻類B. bigelowii 存在共生關係，生活在通常營養物質含量較低的開闊海域。當有固定氮源時，大多數固氮細菌都有調節二氮利用的機制，以減輕此過程的高能耗成本。然而，UCYN-A 卻失去了這樣做的基因，即使在營養豐富的環境中也能將氮氣固定為銨。而宿主則透過葉綠體為其提供光合作用固定的碳。

研究詳細介紹了研究人員如何發現UCYN-A 與其共生夥伴細胞之間的大小關係–這與其他細胞器與其宿主之間的大小關係一致。當細胞器變大時，它們的宿主細胞也會變大–最終分裂和複製。數學建模揭示了透過營養獲取和交換來調節細胞相對大小的代謝權衡。

固氮細胞器的進化路徑

URI海洋學研究生院的海洋學助理教授、該研究的主要作者之一Keisuke Inomura說：「固定氮氣需要大量的能量和電子，使氮氣變成有用的東西。如果UCYN-A正沿著進化的道路發展成為固氮細胞器，而我們發現除B. bigelowii以外的細胞也有這樣的細胞器，或者正在發生類似的進化，這可能會改變遊戲規則。

雖然粒線體和葉綠體等細胞器在演化過程中走得更遠，但研究人員認為，他們看到的可能是細菌衍生的固氮細胞器演化過程的縮影。

“我們的研究重點是大約1 億年前出現的一種更近期的共生關係，這使我們能夠探索細胞器形成早期的進化過程，”共同第一作者、海洋研究所海洋生物學和海洋學系博士後研究員弗朗西斯科-科內霍解釋。

不過，研究人員指出，還需要更多的研究來證明情況是否如此。 “UCYN-A與其宿主之間出人意料的緊密尺寸關係可以用雙方的資源經濟性來解釋。”麻省理工學院地球、大氣和行星科學教授、研究小組成員邁克爾-J-弗朗西斯（Michael J. Follows）說：”這表明，UCYN-A 可能正走在成為細胞器的道路上：至於它是否已經成為細胞器，則是正在進行的研究課題。”

編譯自/ scitechdaily